单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,2020/3/12,0,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,2020/3/12,0,导电材料,1,导电材料1,一、,导电材料,简介,导电材料,是指那些具有,导电特性,的物质,包括,电阻材料,、,电热与电光材料、导电与超导材料、半导体材料介电材料、离子导体,和,导电高分子材料,等,。,本,PPT,首先,介绍固体导电的基本理论，其次介绍一些新型电阻材料、导电与超导材料半导体材料和非金属导电材料的导电机理、性能及应用。,2,一、导电材料简介 导电材料是指那些具有导电特性的物,经典自由电子论,量子,自由电子论,能带理论,二、,导电材料的导电机理,3,经典自由电子论量子自由电子论能带理论二、导电材料的导电机理3,（,1,）,经典,自由电子,论,特鲁德,(P.Drude,)-,洛伦兹,(,H.A.Lorentz,),的,经典电子论,认为,:,金属,是由原子构成的点阵,每个原子的价电子是完全自由的,可以在整个金属中自由,运动,;,完全自由的价电子遵守经典力学理论特别是气体分子的运动规律,;,它们通常沿所有方向,运动，但,在,电场作用下,将逆电场方向运动,使金属产生,电流,.,自由电子论非常,成功地导出了,欧姆定律,并推导出金属的,电导率,和电阻率,的关系,为,自由电子,论能够成功解释欧姆定律,，,证明,在,一定,温度下各种金属的热导率与电导率的比值为一常数,。,然而,经典电子论并不能解释,-,些低价金属的导电性比高价金属的导电性好的现象,。,4,（1）经典自由电子论特鲁德(P.Drude)-洛伦兹(H.,（,2,）,量子自由电子,论,量子自由电子理论,用,量子力学观点,研究在金属的大量原子集合体中的价电子分布问题。量子自由电子理论的基本观点是,:,金属离子所形成的势场各处都是均匀的,;,价电子是共有化的,它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动,电子之间没有相互作用,;,电子运动服从量子力学原理,。,微观粒子,的某些物理量不能连续变化，而只能取某些最小的单位跳跃,而不是连续的,这个最小单位跳跃称为该物理量的一个量子,。电子运动的能量变化是,不连续,的，,是,以,量子为单位进行变化,的,这就是量子自由电子理论的,-,一个基本观点。,5,（2）量子自由电子论量子自由电子理论用量子力学观点研究在金属,（,3,）,能带,理论,求解晶体中电子的容许能态的能带模型称为,能带理论,(Energy Band Theory),能带理论是,讨论晶体,(,包括金属、绝缘体和半导体的晶体,),中电子的状态及其运动,的一种,重要的近似理论,。,两,个,能带之间间隔的能量范围,称为,禁带或能隙,。,根据,禁带宽度的大小，确定出材料的导电性能的差别而定义出,导体、半导体,和,绝缘体,。,但能带理论还是,没有解释晶体产生电阻且电阻率是温度的函数的内在原因。,6,（3）能带理论求解晶体中电子的容许能态的能带模型称为能带理论,三、,导电材料,的分类,通常,人们只是简单地根据固体在室温下所具有的,不同电阻率或电导率,把导电功能材料分为,导体、半导体和绝缘体。,其中,，,导体,的电导率,=10,6,10,8,s/m,具有良好的导电性,能,;,绝缘体,的电导率,=10,-20,10 S/m,导电性能极差,;,而,导电性介于上述两者之间的,半导体,，则其电导率,=10,-9,10S/m,。,如果,按材料的综合性质、功能与作用则可把导电材料细分为,金属导电材料、电阻材料半导体材料、超导材料、非金属导电材料、高分子导电材料介电,与,绝缘材料,等。,7,三、导电材料的分类通常,人们只是简单地根据固体在室温下所具有,四、,金属导电材料,所谓,金属导电材料,是指,用以传送电流而无或只有很小电能损失的材料,，包括电力工业用的,电线,、,电缆,等强电用的导电引线材料和电子工业中传送弱电流的,导体布线材料、导电涂料、导电黏结剂,及,透明导电材料,。,8,四、金属导电材料所谓金属导电材料,是指用以传送电流而无或只有,（,1,）金属导体,金属导电引线材料具有高的,导电性,、,足够的机械强度,、,不易氧化,、,不易腐蚀,易加工和,可焊接,等特性,它们以铜、铝及其合金为主,重视材料的,阻抗损失。,铜导电材料,当铜料纯度为,99.97%99.98%,含少量金属杂质和氧,电导率为,98%99,%,。,铜中含有杂质将降低电导率,为此,人们研制出性能稳定、抗腐蚀、延展性好、抗疲劳的高导无氧铜,0FHCC,，它,可拉成很细的丝,适用于海底同轴电缆的外部软线、太阳能电池、高温抗氧化电极等,。,9,（1）金属导体金属导电引线材料具有高的导电性、足够的机械强度,导电布材料,电子工业用的,导电布线,材料,具有,膜电阻小,(,导电性好,),、附着力强、可焊性和抗焊熔性好,等优点。它们都是,Au,、,Ag,、,Cu,、,Al,等电导率高的材料,有时也使用金属粉和石墨粉与非金属材料混合的复合导电材料,其电阻率通常比强电用材料的电阻率高得多，并有厚膜和薄膜之分。,薄膜导体布线材料具有,导电性好、附着力强、化学稳定性高、可焊性和耐焊性均好、成本低等,特点。薄膜导体布线材料大体上可分为,单元膜,和,复合膜,两大类。,10,导电布材料薄膜导体布线材料具有导电性好、附着力强、化学稳定性,导电复合膜,复合膜是目前国内应用最广的薄膜导体，它是用,不同金属膜所构成的多层薄膜导体,如,Cr-Au,膜、,Ti-Pd-Au,膜、,Ti-Cu-Ni-Au,膜等。复合薄膜导体的结构,-,般包括,底层,和,顶层,两部分。,底层又称为,黏附层,主要作用是,使顶层导体膜牢固地附着在基片上,它是易氧化的金属,以便与基片中的氧形成结合牢固的,共价键,。,顶层,则由,导电性好,、,可焊性好,和,化学稳定性高,的,金属薄膜,构成,主要起,导电和焊接,作用。,11,导电复合膜底层又称为黏附层,主要作用是使顶层导体膜牢固地附着,（一）快离子导电,陶瓷,材料,银、铜的卤族和硫族化合物,金属原子在化合物中,键合位置相对随意,;,具有,-Al,2,O,3,结构的,高迁移率,单价阳离子氧化物,;,具有,氟化钙,(CaF,2,),结构,的,高浓度缺陷,的氧化物,如,CaO ZrO,2,、,Y,2,0,3,ZrO,2,它们拥有的,可迁移离子,有,H,+,、,H,3,0,+,、,NH,4,+,、,Li,+,、,Na,+,、,K,+,、,Rb,+,、,Cu,+,、,Ag,+,、,Ga,+,、,T,等阳离子和,0,2-,、,F,-,等,阴离子。,五、导电陶瓷材料,氟化钙结构,12,（一）快离子导电陶瓷材料五、导电陶瓷材料氟化钙结构12,(,二）电热陶瓷,电热合金,如果用在,1500C,以上的工业炉中即使,不熔化也会被严重氧化,此时需使用,Pt,、,Mo,、,W,等贵金属或石墨、陶瓷等,电热元件,。,Mo,、,W,、石墨、陶瓷等,电热元件,的温度使用则可在,1500C,以上,。,常见的陶瓷类电热材料有,碳化硅,、,二硅化钼,、,铬酸镧,和,锡氧化物,等。,碳化硅,二硅化钼,13,(二）电热陶瓷电热合金如果用在1500C以上的工业炉中即使不,（三）,半导体陶瓷,热敏电阻类半导体陶瓷材料有,电阻随温度升高而增大,的,正电阻温度系数,PTCR,型和,电阻随温度升高而减小,的,负电阻温度系数,NTCR,型两种。它们属于,铁电陶瓷。,如果热敏电阻所处,环境改变,将导致其,热耗散速度改变,，此时,若保持对元件的,电压恒定,那么,电流便成为测量消耗热能速度的量度,这就是许多,热敏电阻传感器的原理,。,14,（三）半导体陶瓷热敏电阻类半导体陶瓷材料有电阻随温度升高而增,六、,导电碳素材料,碳是由,单一元素,组成,却可形成外观多变、性能各异、应用广泛的物质。它之所以能够如此,与其,原子键键合方式,、,分子结构类型,及其,集合形态,的多样性密切相关。,根据,原子结构理论,碳原子的外层电子可通过,3,种,即,sp,3,、,sp,2,、,SP,杂化方式形成,键和,键。当,碳原子外层电子,以,sp3,杂化时,就构成了具有,立体结构,的金刚石,;,当以,sp2,杂化时,就构成了,平面结构,的,石墨,烯。,金刚石,15,六、导电碳素材料碳是由单一元素组成,却可形成外观多变、性能各,七、,导电高分子材料,导电高分子材料,是在,20,世纪,70,年代中后期,快速发展的新型功能材料,世界上,第一个导电有机聚合物,是由美国化学家,MacDiarmid,物理学家,Heeger,和日本化学家,Shirakawa,于,1977,年发现的,掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性,并因此获得,2000,年诺贝尔化学奖。,与金属相比，导电高分子材料具有,质量轻,、,易成形,、,电阻率可调节,、可通过分子设计合成出具有,不同特性的导电性,等特点。,高分子,导电材料分为,结构型,和,复合型,两大类。,16,七、导电高分子材料导电高分子材料是在20世纪70年代中后期快,石墨烯稳定的,晶格结构,使碳原子具有,优秀的导电性,。石墨烯的电子在轨道上移动时,不会因晶格缺陷或,引入外来,原子而发生散射,。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中的电子,受到的干扰也非常小,。,石墨,烯的,制备方法,主要有,:,机械剥离法、碳化硅表面外延生长、金属表面生长、化学气相沉积法、氧化减薄石墨片法、乙氧钠裂解、切割碳纳米管法等。,17,石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯的电子在,（,1,）复合型导电高分子材料,复,合型早申高分子材料,是在通用,树脂,中加人,导电性,填料,、添加,剂,采用,一,定的成型方法,而制得。通用,树脂,有,聚乙烯,与聚,丙烯,等聚,烯烃,、,聚氯乙烯,、,ABS,、,聚酰胺,、,聚苯胺等。,电,塑料,以,聚烯烃或其共聚物为基础,加人,导电填料抗氧剂,及润滑剂等经混炼加工而成。导电塑料包括用于电线泡沫塑料塑料成型,制品、干电池,电极、集成电路板、印制电路板及电子元件的包装材料,等聚烯烃导电塑料,以及用于防静电和消除静电、以炭黑与碳纤维为填料的,导电,尼龙。,18,（1）复合型导电高分子材料复合型早申高分子材料是在通用树脂中,（,2,）结构型导电高分子材料,结构型导电高分子材料,中,至今只有聚氮化硫,(SN)x,它是纯粹的结构型导电高分子材料,其他许多种导电高分子几乎都,采用氧化还原、离子化或电化学方法进行,掺杂,后,才具有较高的导电性。目前研究较多的结构型导电高分子有,聚乙炔,、,聚苯硫醚,等。,掺杂,聚乙炔蓄电池,具有,质量轻、体积小、容量大、能量密度高、加工简便,等优点,它比传统的铅酸电池,轻,放电速度快,其最大功率密度为铅酸电池的,10 30,倍,。聚合物,蓄电池可用作汽车或其他装置的,备用电池。,19,（2）结构型导电高分子材料结构型导电高分子材料中,至今只有聚,谢谢观看！,20,谢谢观看！20,